(57)【要約】【課題】本願発明は、ソーダガラスを含む任意の物質の基板上に形成されるシリコン薄膜トランジスタであって、チャネル領域のキャリヤーの移動度が最大となる薄膜トランジスタを提供することを目的とする。【解決手段】アモルファスシリコン薄膜を堆積させ得る基板上に生成されたシリコン薄膜の結晶方位が、該基板面に平行な（１００）に配向された単結晶である単結晶シリコン薄膜トランジスタであり、この単結晶シリコン薄膜トランジスタにおける単結晶シリコン薄膜は、アモルファスシリコン薄膜を堆積させた基板に、前記基板の垂線に対してそれぞれ略５４．７°の角度をもって両方向から、アモルファスシリコン薄膜に、スパッタリングを惹起させず、かつ、結晶方位を制御し得る低エネルギーの中性Ｎｅビームを照射するとともに、中性Ｎｅビームの照射領域内を前記基板に対して基板の溶融温度未満の高温度で加熱することにより生産される。【選択図】図１
2006245326.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アモルファスシリコン薄膜を堆積させ得る基板上に生成されたシリコン薄膜の結晶方位が、該基板面に平行な（１００）に配向された単結晶であることを特徴とする単結晶シリコン薄膜トランジスタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、任意の物質の基板上に形成されるシリコン薄膜トランジスタに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、通信機器や家電製品などの様々な分野で、液晶が利用されていて、液晶に対する高画素化、高精細化、動作の高速化などが要求されている。このため、液晶表示装置の駆動素子に薄膜トランジスタ（ＴＦＴ＝Thin Film Transistor）を用いて応答速度を速くする技術が開発されて、ＴＦＴの市場規模が大きく伸びている。
【０００３】
一方、ＬＳＩにおけるＭＯＳ構造には結晶面を（１００）に配向させたシリコンが使用されているが、これはＭＯＳ構造のチャネル領域のキャリヤーの移動度が（１００）の結晶面で最も大きくなるためである。したがって、ＴＦＴに（１００）に配向させたシリコンを使用することにすれば、高画素化、高精細化、動作の高速化を有する液晶表示装置を得ることができる。そのためには、ソーダガラス等の基板上に結晶面を（１００）に配向させたシリコン薄膜を生成する技術が必要となる。
【０００４】
本願発明者は、アモルファス薄膜にその厚さ方向に効率的に結晶化する方法を発明したが、この発明は特開平６−３４０５００号公報に開示されている。
この特開平６−３４０５００号公報に開示の技術を概説すると、この技術は、基板面上に既に形成されている所定の物質のアモルファス薄膜に、この物質の２つ以上の相異なる最稠密の結晶面に垂直な方向から比較的低エネルギーの中性原子ビームを照射するものであり、この照射により少なくとも膜の表面近傍は所望の結晶方位となり、さらに、この結晶は内部に向かって成長し膜の厚さ方向全部が結晶化するのである。
【０００５】
また、特開平６−２４４１０３号公報に開示の技術は、ＴＦＴにＣＧＳ（Continuous Grain Silicon）膜を用いた技術である。このＣＧＳ膜は、アモルファスシリコン薄膜の表面にＮｉなどのある種の金属の金属元素を微量に堆積させて、それらを加熱することにより得られる結晶性に優れたシリコン膜である。このＣＧＳ膜は、従来のアモルファス薄膜に比べて低消費電力かつ高速応答性に優れている。
【０００６】
そして、特開平７−１０６２４７号公報に開示の技術は、ＴＦＴに使用されるアモルファスシリコン薄膜に代えてポリシリコン薄膜を得る技術である。この技術は、シリコン薄膜を表面に被着した基板（ガラス基板）に対して複数本のキセノンランプを同期して発光させ、一度に基板表面を短時間アニールする。このとき、基板は基板の耐熱温度近くまでヒータブロックで加熱しておく。つぎに、エキシマレーザービームの照射をおこなうことで、キセノンランプにより表面を結晶化したポリシリコン薄膜を得るものである。
【０００７】
また、結晶方位を同一方向にそろえる技術に特許第２６７１３５０号公報に開示の技術がある。この技術は、ＩＶＤ（Ion Vapor Deposition）法によって作製されるＴｉＮ膜の結晶の配向性とイオンビームのエネルギーとの間に相関性があるという知見に基づき、窒素イオンビームの入射エネルギーを１０〜１２０ｅＶの範囲とすることにより、ＴｉＮ膜の結晶の（１１１）面を窒素イオンの入射方向に強く配向させ、基材に対して９０°±５°に照射することにより、ＴｉＮ膜の（１１１）面を基材に対して垂直に配向させる、というものである。
【０００８】
ところで、任意の物質からなる基板上にシリコン単結晶薄膜を生成する発明としては、特開平８−２０８３８２号公報に開示の技術がある。以下に、この技術の概要を図３に基づいて説明する。
【０００９】
図３は特開平８−２０８３８２号公報に開示の技術の概要を示す図であって、特開平８−２０８３８２号公報に開示の技術は、任意の基板上に容易にシリコン単結晶薄膜を形成する方法を提供することを目的としていて、その開示された方法は以下の通りである。
すなわち、ＳｉＯ２基板１０１を略６００℃に保ちつつＳｉＨ４を供給することによってＣＶＤ（化学気相成長）法を実行し、ＳｉＯ２基板１０１の上にＳｉを堆積させる。このときＳｉは、＜１１０＞軸がＳｉＯ２基板１０１の法線に揃った多結晶体として堆積する。同時に、堆積しつつあるＳｉの表面にＮｅのビームを、ＳｉＯ２基板１０１の表面に垂直な方向と３５゜の入射角度をもって照射する。その結果、最稠軸＜１１１＞の方向がビームの方向に向くように、Ｓｉ原子の再配列が起こる。そして、ＳｉＯ２基板１０１の上面に単結晶Ｓｉ薄膜１０２が形成される。
【特許文献１】特開平６−３４０５００号公報
【特許文献２】特開平６−２４４１０３号公報
【特許文献３】特開平７−１０６２４７号公報
【特許文献４】特許第２６０３９３３号公報
【特許文献５】特開平８−２０８３８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特開平６−３４０５００号公報に開示の方法および特開平６−２４４１０３号公報に開示のＣＧＳ膜は、ともに結晶面が（１１０）に配向しているのであり、ＣＧＳ膜では触媒のＮｉが残存し特性が悪くなるので、Ｎｉを除去するための処理が必要で、コスト高になる。そして、特開平７−１０６２４７号公報に開示の技術は、結晶方位がランダムであって、いずれも（１００）の結晶面よりも移動度の点で劣る。また、特許第２６０３９３３号公報に開示の技術は、成膜工程が複雑になり、結晶粒は大きくなるものの、多結晶であって単結晶にはならない。そして、特開平８−２０８３８２号公報に開示の技術は、任意の基板上に容易にシリコン単結晶薄膜を形成するとはいっても、ビームを１方向からのみ照射する場合には、ビームの飛来方向を特定の結晶軸とすることはできるが、この結晶軸に対する回転方向には無秩序に回転することができるため、全域に亘ってシリコン単結晶薄膜とすることはできないと考えられる。
【００１１】
そこで、本願発明は、ソーダガラスを含む任意の物質の基板上に形成されるシリコン薄膜トランジスタであって、チャネル領域のキャリヤーの移動度が最大となるシリコン薄膜トランジスタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本願請求項１の発明に係るシリコン薄膜トランジスタは、アモルファスシリコン薄膜を堆積させ得る基板上に生成されたシリコン薄膜の結晶方位が、該基板面に平行な（１００）に配向された単結晶であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本願請求項１に係るシリコン薄膜トランジスタは、結晶面が基板面に平行な（１００）であるので、チャネル領域のキャリヤーの移動度が最大となる薄膜トランジスタを得ることができる。
そして、この薄膜トランジスタの基板にソーダガラスを使用し液晶表示装置の駆動素子に用いることにより、従来の薄膜トランジスタではなし得なかった高画素化、高精細化、動作の高速化を有する液晶表示装置が得られる。また、この薄膜トランジスタの基板に安価な物質のものを使用することにより、シリコンウエーハを用いたＩＣよりも経済性に優れたＩＣを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本願発明を実施するための最良の形態に係る実施例１および実施例２について、図１および図２に基づいて説明する。
【００１５】
まず、実施例１について説明する。図１は、実施例１に係る結晶面が基板面に平行な（１００）であるシリコン薄膜を形成させる工程説明図であり、図１（ａ）は、ＳｉＯ２をコートしたソーダガラス基板上にアモルファスシリコン薄膜を堆積させた状態を示す図、図１（ｂ）は、アモルファスシリコン薄膜が堆積したソーダガラス基板に中性Ｎｅビームを照射している状態を示す図、図１（ｃ）は、中性Ｎｅビームを照射した後の状態を示す図である。
【００１６】
図１において、符号２は中性Ｎｅビーム、符号４はソーダガラス基板、符号６はＳｉＯ２コート膜、符号８はアモルファスシリコン薄膜、符号１０は単結晶シリコン薄膜、符号１２はシリコン薄膜トランジスタである。
【００１７】
実施例１に係るシリコン薄膜トランジスタ１２を生産する工程は、
ソーダガラス基板４にＳｉＯ２コート膜６をコーティングさせる工程（以下「工程（１）」という。）と、
ＳｉＯ２コート膜６上にアモルファスシリコン薄膜８を堆積させる工程（以下「工程（２）」という。）と、
堆積したアモルファスシリコン薄膜８の結晶方位を（１００）に配向させて単結晶シリコン薄膜１０を生成する工程（以下「工程（３）」という。）と、
単結晶シリコン薄膜１０に電子回路を形成させてシリコン薄膜トランジスタ１２を得る工程（以下「工程（４）」という。）と、からなる。
【００１８】
この工程（１）は、周知のＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＰＶＤ法（物理気相成長法）、またはプラズマＣＶＤ法を用いることができる。たとえば、多用されるプラズマＣＶＤ法は、蒸着装置の中にソーダガラス基板４と電極とを設置して蒸着装置内を真空に近い数十Ｐａとして、ＳｉＨ４ガスとＯ２ガスを蒸着装置内に注入すると同時に、ソーダガラス基板４を２００℃程度までヒーターで温める。ＳｉＨ４ガスとＯ２ガスが充満したところで、電圧をかけることにより、ＳｉＨ４ガスとＯ２ガスに電子が衝突してプラズマ状態となる。この結果、以下の化学反応によりソーダガラス基板４にＳｉＯ２薄膜６がコーティングされる。
ＳｉＨ４＋Ｏ２→ＳｉＯ２＋２Ｈ２
なお、このＳｉＯ２コート膜６は、ソーダガラス基板４に形成されるシリコン薄膜内に不純物としてのＮａイオンやＫイオンが溶出するのを防ぐ絶縁層としての役割を担うものである。
【００１９】
工程（２）も工程（１）と同様に周知のＣＶＤ法（化学気相成長法）、ＰＶＤ法（物理気相成長法）、またはプラズマＣＶＤ法を用いることができ、たとえば、プラズマＣＶＤ法では、蒸着装置の中にＳｉＯ２コート膜６を有するソーダガラス基板４と電極とを設置して蒸着装置内を真空に近い数十Ｐａとして、アモルファスシリコン薄膜８の原料となるＳｉＨ４ガスを蒸着装置内に注入すると同時に、ソーダガラス基板４を２００℃程度までヒーターで温める。ＳｉＨ４ガスが充満したところで、電圧をかけることにより、ＳｉＨ４ガスに電子が衝突してプラズマ状態となる。このプラズマとなったＳｉＨ４ガスは、以下の化学反応によりＳｉＯ２がコートされたソーダガラス基板４に積み重なり、アモルファスシリコン薄膜８が形成される（図１（ａ））。
ＳｉＨ４→Ｓｉ＋２Ｈ２
【００２０】
つぎに、工程（３）について説明する。
数十Ｐａの高真空度に保たれた図示外の照射装置内で、ソーダガラス基板４の垂線に対してそれぞれ略５４．７°の角度をもって両方向から、アモルファスシリコン薄膜８に、スパッタリングを惹起させず、かつ、結晶方位を制御し得る低エネルギーの中性Ｎｅビーム２を照射するとともに、ソーダガラス基板４をソーダガラス基板４の溶融温度未満の高温度で加熱する（図１（ｂ））。この２つの中性Ｎｅビーム２、２をそれぞれ略５４．７°の角度となるようにすることにより、中性Ｎｅビーム２、２の飛来方向が、それぞれ＜１１１＞軸となる。これにより、ＳｉＯ２コート膜６でコートされたソーダガラス基板４上のアモルファスシリコン薄膜８の結晶方位を（１００）に制御することが可能となる。
【００２１】
この際、照射する中性粒子のエネルギーが２５ｅＶを越えると、シリコンの原子はスパッタリングされるので、照射する中性粒子ビームのエネルギーは２０ｅＶ以下に抑える必要がある。また、中性Ｎｅビーム２の場合、エネルギーを１０ｅＶ以下にすれば、照射方向が＜１１１＞軸に配向し、かつ中性粒子が結晶膜内に浸入することもない。
【００２２】
低エネルギーの中性Ｎｅビーム２を照射することにより、厚さは１ｎｍ程度の単結晶シリコン薄膜１０が形成されるが、電子集積回路装置や液晶パネル装置に使用するには１００ｎｍ程度の厚さが要求される。そこで、本願発明では、ソーダガラス基板４の表面に生成された結晶方位を制御した結晶膜から、固相エピタキシャル成長を利用して膜全体を結晶化させ、結晶方位を（１００）に配向させた所望の厚みのある単結晶シリコン薄膜１０を得ることとしている。
【００２３】
すなわち、本実施例では中性Ｎｅビーム２のエネルギーを低エネルギーの６ｅＶとし、この低エネルギーの中性Ｎｅビーム２、２の照射により、結晶方位が制御されたシリコンの結晶核を発生させるとともに、単結晶シリコン薄膜１０面の温度を上げて固相エピタキシャル成長をさせるため、図示外の加熱装置でソーダガラス基板４の加熱を行う。このとき、加熱する領域は中性Ｎｅビーム２、２の照射面積よりも小さくする。これは、中性Ｎｅビーム２、２が照射されていない領域で温度を上げると、自発的な結晶核の発生が起きて多結晶となり、固相エピタキシャル成長の開始温度が高くなるため、あとで中性Ｎｅビーム２、２を照射しても固相エピタキシャル成長による結晶化が行いにくくなることを避けるためである。なお、図示外の加熱装置の加熱手段としては、ランプを利用したランプアニール装置を利用するか、あるいは、フラッシュチューブなど他の方法を利用してもよい。たとえば、Ｘｅのフラッシュチューブを利用して、２ｍｓｅｃ程度のパルス加熱を行えば、試料台上の基板４の平均温度を５００℃以下に保持しながら、基板の表面温度のピークを１２００〜１３００℃にすることも可能である。
【００２４】
ところで、固相エピタキシャル成長の成長速度は加熱温度と成長方向の結晶軸の関数で、次式で与えられる。
Ｖ＝Ｖ０×ｅｘｐ（−Ｅａ／ｋＴ）
ここで、Ｖは絶対温度Tにおける固相エピタキシャル成長の成長速度であり、その単位はｃｍ／ｓｅｃである。また、Ｖ０は、プレエクスポーネンシャル因子で、シリコンでは結晶軸が無作為の場合、その値は２．３〜３．１×１０８ｃｍ／ｓｅｃである。Ｅａは、活性化エネルギーで、その値は結晶軸によって変わらず、２．６８〜２．７０ｅＶである。また、ｋはボルツマン定数である。
すなわち、基板の温度を１０００℃程度にすると、成長速度は０．１ｍｍ／ｓｅｃ程度になることから、１００ｎｍ程度のアモルファスシリコン膜であれば、０．１ｍｓｅｃ程度の短時間で膜全体を結晶化することができる。しかし、ここで使用される基板はソーダガラスであるので、温度を５５０℃以下にしなければ、基板自体が軟化してしまう。そのため、高温で処理する場合には、基板表面のアモルファスシリコンだけを加熱し、ソーダガラス基板４の平均温度を５５０℃以下に保持するが必要である。
【００２５】
この工程（１）ないし工程（３）により、結晶方位が（１００）に配向した所望の厚みのある単結晶シリコン薄膜１０が生成されたソーダガラス基板４を得る。なお、実施例１における基板にはソーダガラスを使用しているが、この基板はアモルファスシリコン薄膜を堆積させ得る物質であればよく、絶縁物、金属、半導体を使用することができる。たとえば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用することも可能である。
【００２６】
そして、前述の工程により得られた結晶方位が（１００）に配向した単結晶シリコン薄膜１０が生成されたソーダガラス基板４に対して、引き続き以下に示す工程（４）により本願発明に係るシリコン薄膜トランジスタ１２を得ることができる。
【００２７】
工程（４）は、さらに、
単結晶シリコン薄膜１０の表面に酸化膜を生成する工程（以下「工程（４−１）」という。）と、
フォトリソグラフィにより所定の電子回路パターンを転写して、この酸化膜に窓を開け、さらに、熱拡散法やイオン注入法などで不純物を拡散する工程（以下「工程（４−２）」という。）と、
上記（４−１）および（４−２）の工程を繰り返した後、アルミニウムを蒸着させて配線することによりシリコン薄膜トランジスタ１２を得る図１（ｃ）に示す工程（以下「工程（４−３）」という。）と、からなる。
【００２８】
なお、前述の工程（４−１）における酸化膜は、前述の工程（１）と同様の方法で得ることができる。
【００２９】
また、前述の工程（４−３）において、アルミニウム蒸着させて配線した後に、インジウム・スズ酸化物からなる透明な電極を追加させることにより、このシリコン薄膜トランジスタ１２を液晶パネル装置に使用される薄膜トランジスタとして用いることができる。
【００３０】
つぎに、本願発明を実施するための最良の形態に係る実施例２について、図２に基づいて説明する。
【００３１】
図２は、実施例２に係る結晶面が基板面に平行な（１００）であるシリコン薄膜を形成させる工程説明図であり、図２（ａ）は、ＳｉＯ２をコートしたソーダガラス基板上にシリコンを蒸着しながら中性Ｎｅビームを照射している状態を示す図、図２（ｂ）は、中性Ｎｅビームを照射した後の状態を示す図である。
【００３２】
図２において、図１に示す要素と同一の要素については同一の符号を付すことにする。すなわち、符号２は中性Ｎｅビーム、符号４はソーダガラス基板、符号６はＳｉ０２コート膜、符号８はアモルファスシリコン薄膜、符号１０は単結晶シリコン薄膜、符号１２はシリコン薄膜トランジスタ、符号１４は坩堝、符号１６はシリコンである。
【００３３】
実施例２に係るシリコン薄膜トランジスタ１２を生産する工程は、
ソーダガラス基板４にＳｉＯ２コート膜６をコーティングさせる工程（以下「工程（５）」という。）と、
ＳｉＯ２コート膜６上にアモルファスシリコン薄膜８を堆積させ、堆積したアモルファスシリコン薄膜８の結晶方位を（１００）に配向させて単結晶シリコン薄膜１０を生成する工程（以下「工程（６）」という。）と、
単結晶シリコン薄膜１０に電子回路を形成させてシリコン薄膜トランジスタ１２を得る工程（以下「工程（７）」という。）と、からなる。
【００３４】
上記工程の内、工程（５）および工程（７）は、それぞれ前述した工程（１）および工程（４）と同一であるので、その説明を省略し、ここでは主として工程（６）について説明する。
【００３５】
工程（６）は、前述の工程（２）および工程（３）とを併せ持った工程である。
すなわち、坩堝１４内のシリコン１６を電子ビームで照射加熱すると、図２（ａ）の点線の矢印に示すように、高温蒸気で飛び出してくるシリコン原子が上方に設置されたソーダガラス基板４上にアモルファスシリコン薄膜として析出する。このとき、前述の工程（３）と同様にして、中性Ｎｅビーム２、２をそれぞれ略５４．７°の角度となるように照射する。それとともに、図示外の加熱装置による加熱をおこなって、成形したアモルファスシリコン薄膜８を固相エピキシャル成長させて結晶方位を（１００）に配向させた所望の厚みのある単結晶シリコン薄膜１０を得る（図２（ａ））。このアモルファスシリコン薄膜８を固相エピキシャル成長させる原理は工程（３）において説明したので省略する。
【００３６】
なお、ソーダガラス基板４上にアモルファスシリコン薄膜を成形する方法としては、本実施例の電子ビーム蒸着法以外に、抵抗線加熱による蒸着法やスパッタリングを利用した方法であっても構わない。
【００３７】
この工程（６）に示す方法および前述した工程（３）に示す方法により、アモルファスシリコン薄膜８を結晶面が（１００）に配向した単結晶シリコン薄膜１０に生成させることができる。この理由は、アモルファスシリコンからシリコン結晶が成長する場合、（１００）面の成長速度が他の結晶面よりも速いことによる。すなわち、ソーダガラス基板上に５５０℃以下の温度で析出したアモルファスシリコンの温度を上げると、ソーダガラス基板とアモルファスシリコンの界面から多結晶シリコンが成長するが、工程（６）および工程（３）に示す方法により表面から（１００）面のシリコン結晶を成長させると、成長速度が速いので、膜は殆どが（１００）面のシリコン結晶となるため、単結晶になり易いのである。（１００）以外の結晶面では成長速度が遅く、ソーダガラス基板とアモルファスシリコンの界面から成長してきた多結晶シリコンが表面近くまで成長してしまうので表面近傍は多結晶になってしまい、結晶粒界が存在するので移動度も減少する。したがって、工程（６）および前述した工程（３）に示す方法以外でシリコン単結晶の成長をさせることは困難であると考えられる。
【００３８】
そして、結晶方位が（１００）に配向した単結晶シリコン薄膜１０が生成されたソーダガラス基板４に対して、前述の（３）ないし（６）の工程を施すことにより本願発明に係るシリコン薄膜トランジスタ１２を得ることができる（図２（ｂ））。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】図１は、実施例１に係る結晶面が基板面に平行な（１００）であるシリコン薄膜を形成させる工程説明図であり、図１（ａ）は、ＳｉＯ２をコートしたソーダガラス基板上にアモルファスシリコン薄膜を堆積させた状態を示す図、図１（ｂ）は、アモルファスシリコン薄膜が堆積したソーダガラス基板に中性Ｎｅビームを照射している状態を示す図、図１（ｃ）は、中性Ｎｅビームを照射した後の状態を示す図である。
【図２】図２は、実施例２に係る結晶面が基板面に平行な（１００）であるシリコン薄膜を形成させる工程説明図であり、図２（ａ）は、ＳｉＯ２をコートしたソーダガラス基板上にシリコンを蒸着しながら中性Ｎｅビームを照射している状態を示す図、図２（ｂ）は、中性Ｎｅビームを照射した後の状態を示す図である。
【図３】図３は、特開平８−２０８３８２号公報に開示の技術の概要図である。
【符号の説明】
【００４０】
２    中性Ｎｅビーム
４    ソーダガラス基板
６    ＳｉＯ２コート膜
８    アモルファスシリコン薄膜
１０    単結晶シリコン薄膜
１２    シリコン薄膜トランジスタ
１４    坩堝
１６    シリコン
【図１】
2006245326.tif 000003
【図２】
2006245326.tif 000004
【図３】
2006245326.tif 000005